【纳米】富缺陷NiPS3纳米片促进塑料废物的光重整

全球每年塑料的平均生产量超过3.6亿吨，大部分的废弃塑料存在于垃圾填埋场和水生系统。为减少塑料对环境的污染并回收废物中的价值，开发一种“绿色温和”的废物转化方法是非常必要的。近日，阿德莱德大学乔世璋教授课题组报道了一种富缺陷的硫族化物偶联光催化剂，用于在太阳光驱动下将塑料废物光重整为氢气和有机化学品。

在光重整反应中，太阳光激发半导体光催化剂产生电子和空穴，随即迁移至材料表面并参与氧化还原反应。然而，半导体光催化剂存在光生载流子复合和反应动力学缓慢等问题，极大限制了氢气生产和废物转化。开发高效、新颖的光催化剂能够在时间/空间上分离电子和空穴并促进质子还原和塑料底物氧化的协同耦合是解决上述问题的一种有效途径。

乔世璋教授课题组采用富含非金属活性位点的过渡金属硫属磷酸盐构建了一系列偶联型光催化剂，并通过等离子体技术引入缺陷结构进一步优化材料的电子传输性质和激活表面位点，实现了质子还原和塑料氧化的协同耦合。富含缺陷的镍基硫属磷酸盐偶联硫化镉光催化剂 (d-NiPS₃/CdS) 在环境条件下从聚乳酸 (PLA) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 塑料废料中同时生产氢气和有机化学品，氢气生产速率高达40 mmol g_cat⁻¹ h⁻¹，是CdS光催化剂的43倍，并实现了超过100小时的废弃PET塑料瓶和PLA塑料杯的稳定光重整反应。在连续9小时的反应中，PLA氧化的有机酸产物是乙酸盐和丙酮酸基产物，而PET底物的氧化产物是甲酸盐、乙酸盐和乙醇酸盐。

图1. 光催化剂在不同条件下的PLA和PET光重整测试。

通过原子分辨扫描透射电子显微镜、X射线吸收近边结构、正电子湮灭、电子顺磁共振、拉曼等先进的谱学表征，研究人员详细探究了光催化剂的缺陷结构、类型及周围原子的结构变化。结合开尔文探针原子力显微镜成像、超快时间分辨原位光谱研究和理论计算，电荷转移介导的底物氧化机制被提出。d-NiPS₃纳米片在皮秒时间尺度从CdS中快速提取光生电子，时空上促进了光生电子空穴的分离，有利于电子空穴迁移至光催化剂表面并通过缺陷激活的P和S位点实现高效的氧化还原反应。

富缺陷硫族化物偶联光催化剂的制备方法可推广于一系列新兴的纳米片，包括NiPS₃、ReSe₂、P和NiTe₂，以促进典型光催化剂（包括CdS、TiO₂和CN_x）的塑料光重整性能。该研究为氧化还原光催化剂的设计以及通过塑料可持续转化生产燃料和化学品提供了启发。

图2. 瞬态吸收光谱分析光催化剂的载流子动力学。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是阿德莱德大学博士研究生张帅。

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Boosted Photoreforming of Plastic Waste via Defect-Rich NiPS₃ Nanosheets

Shuai Zhang, Haobo Li, Lei Wang, Jiandang Liu, Guijie Liang, Kenneth Davey, Jingrun Ran, and Shi-Zhang Qiao

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13590

导师简介

乔世璋教授，现任澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。作为通讯联系人，在Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表学术论文超过499篇，引用超过107,146次，h指数168。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编和Journal of Materials Chemistry A副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家(近十年有123篇高被引论文)。

https://www.x-mol.com/university/faculty/29675